1. Номинальные параметры и качество электрической энергии

Судовая электроэнергетическая система должна обеспечи­вать надежное, экономичное генерирование и распределение электроэнергии требуемого качества, а также иметь оптималь­ное сочетание стоимости ее монтажа и эксплуатации при удов­летворительных массогабаритных показателях как отдельных элементов, так и всей системы в целом. Технико-экономические показатели СЭЭС определяются, в первую очередь, рациональ­ным выбором рода тока, частоты и величины напряжения в системе, которые являются основными параметрами СЭЭС.

Род тока СЭЭС по Правилам Морского Регистра РФ до­пускается как постоянный, так и переменный (однофазный и трехфазный). Преимущественное распространение па современ­ных судах получили электроэнергетические системы перемен­ного тока, что обусловлено главным образом более высокими технико-экономическими характеристиками электрических ма­шин переменного тока (особенно асинхронных короткозамкнутых электродвигателей и трансформаторов).

Короткозамкнутые асинхронные двигатели (АД), применяе­мые в СЭЭС, составляют наибольшую по мощности группу потребителей электроэнергии на судне. Благодаря отсутствию коллекторного аппарата они оказываются, но сравнению с машинами постоянного тока, более надежными и удобными в экс­плуатации, более дешевыми (примерно на 20...30%) и компакт­ными (по массогабаритным показателям на 20...50%), как это ориентировочно показано на рис. 1.3.

Внедрению переменного тока на судах в течение длитель­ного времени препятствовали плохие пусковые и регулировоч­ные характеристики АД: значительные величины пусковых токов, вызывающие большие снижения (провалы) напряжения источников - генераторов переменного тока, и сложность регу­лирования в широких пределах частоты вращения.

Применение многоскоростных АД и использование полупроводниковых (тиристорных) управляемых преобразователей частоты, а также других устройств, в настоящее время обеспе­чивает необходимое регулирование их частоты вращения.

Современные морские синхронные генераторы (СГ) самовозбуждаюшегося типа позволили достигнуть требуемой ста­бильности напряжения в статических и динамических режимах, в том числе и при пусках асинхронных электродвигателей. По надежности и массогабаритным показателям самовозбуж­дающиеся генераторы переменного тока и генераторы постоян­ного тока отличаются несущественно.

Релейно-контакторная аппаратура переменного тока по ряду показателей уступает аппаратуре постоянного тока. Аппараты переменного тока имеют меньший срок службы и худшие виброаккустические характеристики. Но в комплектных пускорегулировочных устройствах релейно-контакторная аппаратура переменного тока оказывается совершеннее, поскольку приме­няемые в большинстве случаев для управления двигателями переменного тока магнитные пускатели имеют, как правило, меньшее число элементов в отличие от более сложной аппара­туры постоянного тока аналогичного назначения. Массогабаритные показатели аппаратуры переменного тока оказываются лучше этих показателей аппаратуры постоянного тока.

Электрические кабели в сетях переменного и постоянного тока характеризуются примерно одинаковой надежностью. Массы единицы длины кабелей постоянного и переменного тока для одного и того же напряжения при небольших сечениях (до 10 мм²) имеют близкие значения. При значительных сече­ниях большую удельную массу имеют кабели переменного тока.

Трансформаторы в системах переменного тока обеспечивают возможность разделения их сетей на контактно несвязные участки и получение необходимого для потребления снижения напряжения.

Преимущества электрооборудования переменного тока осо­бенно существенны для судов, имеющих СЭЭС больших мощ­ностей.

Электрооборудование постоянного тока применяется на судах главным образом в случае использования химических источников тока и в ГЭУ.

Напряжение в СЭЭС определяет массогабаритные показате­ли электрооборудования, его надежность и вместе с тем степень опасности поражения электрическим током.

Правила Морского Регистра РФ и МЭК допускают приме­нение ряда номинальных напряжений питания судовых потре­бителей (табл. 1.1).

Для различных видов электрооборудования влияние напря­жения на массогабаритные показатели сказывается по-разному. В пределах напряжений, принятых в настоящее время для судов, массы и габариты электрических машин практически не зависят от напряжения. При увеличении напряжения до 1000В масса и габариты СГ могут даже увеличиваться из-за необходимости усиления электрической прочности и следовательно, объема изоляции. Увеличение напряжения в пределах от 380 до 1000 В позволяет уменьшить массу коммутационно-зашитной аппаратуры примерно на 25%. В же время аппараты на напряжения 220 и 380 В практически одинаковы. Повышение напряжения заметно сказывается на массе кабелей. Так, увеличение напряжения в сетях переменного тока с 220 и 380В, осу­ществляемое в настоящее время на многих типах современных судов, привело к снижению массы кабелей в среднем на 25...40%. Непрерывный рост мощностей СЭЭС, характерный для современных судов, сопровождается неуклонным увеличением масс и габаритов кабельных трасс, поскольку при заданном напряжении пропорционально мощности растет и ток.

С повышением напряжения уменьшается ток потребителей электроэнергии при постоянстве передаваемой мощности. Это обстоятельство ведет к снижению сечения жил, а следовательно, и к снижению расхода меди, уменьшению массы кабеля и габа­ритов кабельных трасс. Целесообразность того или иного зна­чения напряжения в сети определяется также такими факто­рами, как ожидаемые значения токов короткого замыкания КЗ, коммутационная способность аппаратов, надежность изоляции, наличием разработанной и серийно выпускаемой коммутацион­но-защитной аппаратуры и другого силового электрооборудова­ния на требуемое повышенное напряжение и др.

Как следует из табл. 1.1 наиболее часто применяемым номи­нальным напряжением в судовых сетях согласно требованиям Правил Морского Регистра РФ является напряжение 380 В.

Требования МЭК допускают отклонение номинальной часто- ты на ±5% (длительное) и ±10% (кратковременное- 5 с). Отклонения величины питающего напряжения может составлять 6...-10% (длительное) и ±20% (кратковременное- 1,5 с). Требования Морского Регистра РФ устанавливают величину) длительного отклонения напряжения 15...-30%.

В СЭЭС транспортного и рыбопромыслового флотов более высокие напряжения в настоящее время применяются исклю­чительно редко. Наблюдается тенденция повышения предель­ных значений номинального напряжения генераторов и в систе­ме распределения электроэнергии до нескольких киловольт на судах, имеющих значительную как единичную, так и суммар­ную мощность потребителей. К таким судам относятся плаву­чие буровые установки, полупогружные и погружные платфор­мы, суда технического флота. На судах малого водоизмещения с малыми длинами кабелей и мощностями повышения номиналь­ного напряжения не требуется.

Частота напряжения в СЭЭС отечественных судов принята равной 50 Гц. На судах иностранной постройки она может быть также 60 Гц. Повышение номинальной частоты электрообору­дования до 400 Гц ради снижения его массогабаритных показа­телей оказалось в обычных СЭЭС технически нецелесообразным. На судах, для которых необходимо улучшение массогабаритных характеристик технических средств, сохраняется перспектива повышения частоты. Повышенная частота используется для питания отдельных видов устройств судовой информационной техники.

Качество электроэнергии определяется совокупностью пока­зателей, описывающих меру отклонений амплитуд, частоты и взаимных фаз мгновенных значений напряжений от их номи­нальных значений, а также искажение синусоидальности их формы.

В СЭЭС переменного тока потребители электроэнергии долж­ны работать при значениях напряжения и частоты, близких к номинальным. Для трехфазных потребителей идеальное пита­ние электроэнергией будет в том случае, когда мгновенные зна­чения фазных напряжений иА, ив, ис ответят следующим усло­виям:

где

Эти условия нарушаются из-за несовершенства характери­стик генераторных агрегатов, изменений нагрузки в СЭЭС и их отдельных элементах, изменений внешних условий работы эле­ментов СЭЭС. Нарушения условий проявляются в отклонениях от номинальных значений амплитуд напряжений фаз и частоты, в искажении синусоидальности формы кривых напряжений, на­рушении симметрии взаимного сдвига фаз этих кривых.

Качество электроэнергии является важнейшей характери­стикой работы СЭЭС, так как удовлетворительной работа пот­ребителей электроэнергии может быть только при условии, что показатели ее качества находятся в некоторых пределах, регла­ментируемых Правилами Морского Регистра РФ и в частных случаях конкретными техническими нормами. Превышение этих пределов чревато нарушением нормального функционирования технических средств судна вплоть до возникновения аварийных ситуаций.

Показатели качества электроэнергии нормируются отдельно для установившихся и переходных режимов СЭЭС. В устано­вившихся режимах, когда нагрузка длительное время не ме­няется или меняется медленно, основными показателями качест­ва электроэнергии являются: установившиеся отклонения на­пряжения и частоты, коэффициенты несимметрии трехфазного напряжения, искажения синусоидальности формы кривой, ам­плитуда низкочастотной модуляции.

Установившееся отклонение напряжения представляет собой разность напряжения U в рассматриваемом режиме и номи­нального напряжения U_ном, выраженную в долях номинального напряжения или в процентах

По правилам Регистра установившиеся отклонения напря­жения основных судовых генераторов переменного тока не должны превышать ±2,5% при изменениях нагрузки с номи­нальным коэффициентом мощности от холостого хода до номи­нальной. Для аварийных агрегатов при тех же условиях до­пускаются отклонения до ±3,5%. Отклонения напряжения в пределах ±3,5% допускаются и для основных генераторов, если им приходится работать с коэффициентом мощности не ниже 0,6.

Установившееся отклонение частоты является разностью частоты в рассматриваемом режиме и номинальной частоты, выраженной в долях последней или в процентах:

.

Величина согласно нормам не должна превышать ±1% при изменении нагрузки генераторного агрегата от 25 до 100% номинальной.

Коэффициент несимметрии _нес трехфазного напряжения оп­ределяется в относительных единицах или в процентах к номи­нальному значению разность наибольшего и наимень­шеголинейных (фазных) напряжений в данном режиме:

Коэффициент искажения синусоидальности формы кривой мгновенного значения напряжения и определяет величину суммы действующих значений высших гармоническихсоставляю­щих напряжения по отношению к действующему значению на­пряжения первой (основной) гармоники:

.

Здесь предполагается, что искаженное по форме переменное напряжение представляется в виде спектра гармоник с частотами